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基于参数谱估计的高速高精度ADC测试算法研究与实现

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要内容与设计指标

1.3.1 主要内容

1.3.2 设计指标

1.4 论文章节安排

第二章 模数转换器测试基本理论和典型估算算法

2.1 模数转换器基本性能指标

2.1.1 ADC静态指标

2.1.2 ADC动态指标

2.1.3 抖动等其他参数

2.2 模数转换器动态估算测试理论

2.3 ADC纯静态典型估算算法

2.3.1 基于傅立叶级数的频域估算方法

2.3.2 基于贝塞尔函数的频域估算方法

2.3.3 基于噪声的INL和DNL频域估算方法

2.4 ADC动态非线性典型测试算法

2.4.1 适用于动态非线性测试的直方图方法

2.4.2 基于平均最佳拟合的非参数估计方法

2.4.3 基于DFT的频域动态估算方法

2.5 本章小结

第三章 面向高速高精度ADC快速测试的算法研究和改进

3.1 纯静态参数谱估计算法分析

3.2 适用于高速高精度ADC测试的动态估算算法研究

3.2.1 ADC动态输入输出特性曲线分析

3.2.2 ADC动态INL模型构建

3.2.3 动态参数谱估计算法实现

3.3 动态参数谱估计算法误差模型分析

3.3.1 截断误差分析

3.3.2 量化误差分析

3.3.3 求解误差最优估计

3.4 算法仿真平台搭建

3.4.1 基于Matlab平台的Simulink仿真技术

3.4.2 N位流水线型ADC模型搭建

3.5 动态参数谱估计算法的仿真验证

3.5.1 本文算法仿真与设计要求对比

3.5.2 典型估算算法仿真对比分析

3.6 本章小结

第四章 算法实验验证及结果分析

4.1 模数转换器评估板主要模块设计

4.1.1 ADC模拟前端电路设计

4.1.2 低抖动参考时钟及低噪声电源电路设计

4.1.3 输出到输入的耦合考虑

4.2 基于NI PXle的数模混合信号测试系统实现

4.2.1 基于NI PXle的AD9648测试系统结构

4.2.2 ADC基本测试流程

4.3 实验结果对比与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

近年来,模数转换器(ADC)向着高速高精度方向飞速发展,其发展的同时也极大地推动了ADC测试算法的研究和创新。然而这些年,如何实现高速高精度ADC的快速测试已经成为当前亟待解决的问题,原因在于已有的国际测试标准测试高速高精度ADC时所需的测试时间过长,严重限制了其在工程批量测试领域中的应用。因此,出于测试成本角度考虑,在保证可接受的测量精度下,实现高速高精度ADC的快速测试目前已经成为国内外混合信号测试领域的热点研究课题之一。
  本文对传统的纯静态参数谱估计算法进行研究和改进,采用迭代方式优化输入信号的频率估计问题,同时构建动态输入输出特性曲线模型实现高频信号输入下高速高精度ADC非线性的快速测试。针对高速高精度ADC,本文首先同时采用第一类和第二类切比雪夫多项式对其动态输入输出特性曲线建模,并由此得到输出码值与模拟输入值的关系。随后基于该模型利用高频正弦信号输入下采集的ADC输出数字码和已知的激励信号信息建立一组矩阵方程,并利用最小二乘拟合方法(Least-squares fitting,LS)进行求解,最后快速获得拟合的动态输入输出特性曲线及对应的动态INL估算结果。实现快速测试的最直接代价在于一定程度上降低了测试结果精度,为此,还重点对影响本文算法中误差模型的采样点数、模型阶数等因素进行了仿真分析,并绘制出了误差最优估计仿真图。最后本文选择分辨率为14和16比特的ADC作为仿真对象,并采用ADI公司的14比特,采样率达125 MSPS的高速高精度AD9648进行实验。实验结果表明,非相干采样并采用误差最优估计测试条件,即实际采样点数为8000,模型阶数为60时,6 MHz和10 MHz频率输入下基于本文动态参数谱估计方法获得的动态INL估算误差最大值分别为0.3849 LSB和0.3885 LSB,相比于频域动态估算测试结果,其估算精度分别提高了51.6%和58.8%。此外,在达到本文预期指标的情况下,基于本文方法所需的采样点数远小于传统直方图方法所需的2%,大大减少了测试时间。
  本文动态参数谱估计方法在测试时间和估算精度上很好的满足了设计要求和指标,可实现高速高精度ADC非线性的快速测试,其研究成果对于模数混合信号器件的验证和测试具有一定的工程实用价值。

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